大中型泵站汽蝕修補(bǔ)新材料研究及應(yīng)用

施 翔，莫兆祥，錢 杭，蔣 雯，莫岳平

(1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司,南京 210029；3.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

一直以來，如何有效解決水泵過流部件汽蝕損害問題，成為泵站主管部門、管理單位、相關(guān)科研機(jī)構(gòu)以及水泵制造商重點(diǎn)關(guān)注和研究的對(duì)象。由于汽蝕均發(fā)生在材料表面，采用表面工程技術(shù)在基體材料表面制備涂層逐漸成為強(qiáng)化材料表面結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備抗汽蝕、磨蝕及其聯(lián)合作用能力的有效途徑之一[1]。

1 概 況

江蘇省劉老澗泵站工程位于宿遷市宿豫區(qū)仰化鎮(zhèn)境內(nèi)的中運(yùn)河上，是江蘇省利用世界銀行貸款加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉建設(shè)項(xiàng)目中的關(guān)鍵工程之一。工程于1995年1月開工，1996年5月建成并投入運(yùn)行[2]。該站安裝3100ZLQ38/4.2型井筒分段式全調(diào)節(jié)軸流泵，配用TL2200-40/3250立式同步電動(dòng)機(jī)4臺(tái)套，設(shè)計(jì)流量為150 m3/s，總裝機(jī)容量為8 800 kW，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.5 m，直接抽引上一梯級(jí)泵站送來的江水、淮水，沿中運(yùn)河北調(diào)，屬于南水北調(diào)東線工程第5梯級(jí)站，淮水北調(diào)第2梯級(jí)站，具有抽水和發(fā)電雙重功能[3]。劉老澗泵站的水泵葉輪外殼汽蝕相對(duì)較為嚴(yán)重，管理單位對(duì)汽蝕部位原采用不銹鋼焊條堆焊后打磨，效果不佳，且會(huì)因鑄鐵件受熱不均勻引起整個(gè)外殼崩裂[4]。

本文以劉老澗泵站的水泵原型為研究樣本進(jìn)行水泵葉輪外殼的汽蝕修補(bǔ)試驗(yàn)，并利用泵站抽水或發(fā)電工況來實(shí)際檢測(cè)汽蝕修補(bǔ)材料效果。

2 修補(bǔ)試樣材料及應(yīng)用

2.1 修補(bǔ)試樣材料

采用北京天山新材料技術(shù)有限責(zé)任公司的TS216耐磨修補(bǔ)劑作為試樣材料。該產(chǎn)品成灰色膠泥狀，是以超硬陶瓷為骨材的雙組分聚合陶瓷復(fù)合材料，在常溫下可對(duì)水泵、螺旋槳葉片的汽蝕磨損進(jìn)行修補(bǔ)，其耐磨性是一般鑄鐵的4～8倍，黏結(jié)強(qiáng)度較高，而且抗磨損、抗沖擊、抗腐蝕[4]。產(chǎn)品化學(xué)成分見表1，耐腐蝕性能(25 ℃時(shí)，綜合指數(shù)Ratings評(píng)定法)見表2。

表1 TS216耐磨修補(bǔ)劑化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of TS216 abrasionresistance rebuilding putty

表2 TS216耐磨修補(bǔ)劑耐腐蝕性能Tab.2 Corrosion resistance of TS216 abrasionresistance rebuilding putty

2.2 應(yīng)用情況

3 修補(bǔ)試樣材料改性試驗(yàn)及分析

TS216耐磨修補(bǔ)劑為通用的修復(fù)配方，未針對(duì)大中型泵站的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)配比調(diào)整，且未經(jīng)過具體的疲勞、老化和抗汽蝕試驗(yàn)。因此，特對(duì)TS216耐磨修補(bǔ)劑中固化劑、增韌劑和骨材比例進(jìn)行改性試驗(yàn)分析，配置適合大中型泵站的抗汽蝕修補(bǔ)材料。

3.1 試驗(yàn)方法

中性鹽霧試驗(yàn)按照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)—鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為東莞興寶有限公司60鹽霧試驗(yàn)機(jī)，NaCl溶液濃度為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，pH值為6.5～7.2，試驗(yàn)箱工作室溫度為35±2 ℃，鹽霧沉降量為l～2 mL/(80 cm2·h)，噴霧方式為連續(xù)噴霧，時(shí)間為30 d。把制備好的剪切試樣，室溫固化3 d后，放到鹽霧試驗(yàn)箱中，30 d后取出測(cè)試剪切強(qiáng)度變化。

涂層與基體剪切強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 7124-2008《膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》在INSTRON拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定，測(cè)試速度為5 mm/min，數(shù)據(jù)取4個(gè)試樣的均值。

沖蝕磨損試驗(yàn)設(shè)備為自制的噴射式氣固沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，見圖1。沖蝕氣體為空氣，氣源壓力固定為0.6 MPa，磨料為60目的多尖角不規(guī)則石英砂。試樣沖蝕前后用PL2002電子天平稱量，精度0.01 g。測(cè)試膠塊在被噴射5min后損失重量，數(shù)據(jù)取4個(gè)試樣的均值。

圖1 沖蝕磨損試驗(yàn)裝置Fig.1 The experiment device of erosion

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 固化劑比選

環(huán)氧樹脂采用E-51環(huán)氧樹脂。分別用聚酰胺650、T-31、105縮胺以及自制改性胺固化劑，對(duì)膠黏劑性能的影響作了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同固化劑對(duì)性能影響Tab.3 Effect of different curing agents on performance

從表3數(shù)據(jù)看出，采用自制改性胺固化劑，室溫固化3 d，室溫和鹽霧老化30 d均有很高強(qiáng)度。

3.2.2 增韌劑比選

分別采用CTBN改性環(huán)氧樹脂增韌劑、聚氨酯改性環(huán)氧增韌劑、納米橡膠改性環(huán)氧增韌劑配制膠黏劑與自制改性胺固化劑配合進(jìn)行性能對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

僅僅通過理論和方法的傳輸是不夠的，還要借助榜樣力量的激勵(lì)作用，通過優(yōu)秀學(xué)長的言傳身教，樹立榜樣的示范力量，加強(qiáng)研究生自我激勵(lì)、自我學(xué)習(xí)、自我成長的培養(yǎng)。與此同時(shí)，建立反饋評(píng)價(jià)體系，組織新生對(duì)每次教育內(nèi)容、教育方式與效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，及時(shí)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)入學(xué)教育進(jìn)行修正和完善，提高教育的規(guī)范化程度和科學(xué)化水平，也使得新生對(duì)于入學(xué)教育不再單單是被動(dòng)的接受，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的參與，真正發(fā)揮研究生的主觀能動(dòng)性，使其真正成為新生教育的“主人”，實(shí)現(xiàn)教育開展的有效性[10]。

從表4數(shù)據(jù)可看出，采用納米橡膠改性環(huán)氧樹脂增韌劑，室溫固化3 d和鹽霧老化30 d后的剪切強(qiáng)都是最高。

3.2.3 陶瓷粉含量比選

采用納米橡膠改性環(huán)氧增韌劑和自制改性胺環(huán)氧固化劑，分別添加20%、25%、30%、35%、40%、45%的骨材陶瓷粉進(jìn)行耐沖蝕磨損性能對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表4 不同增韌劑的性能對(duì)比Tab.4 Comparison of properties of different toughening agents

表5 添加不同含量的陶瓷粉對(duì)沖蝕磨損性能影響Tab.5 Effect of adding different content of ceramicpowder to offset erosion

由表5數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)陶瓷粉含量小于35%時(shí)，涂層的耐磨性隨骨料陶瓷粉的加入量的增加而提高；當(dāng)骨料含量大于35﹪時(shí)，涂層耐磨性隨骨料陶瓷粉加入量的增加而降低。

4 修補(bǔ)改性材料汽蝕性能實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 修補(bǔ)改性材料準(zhǔn)備

本次汽蝕實(shí)驗(yàn)采用E-51環(huán)氧樹脂，添加納米橡膠改性環(huán)氧做為增韌劑，固化劑采用自制改性胺固化劑，骨料采用粒徑分別為0.5、0.1、1.0 mm的陶瓷填料，分別用1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)進(jìn)行區(qū)別。實(shí)驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)備4個(gè)同樣的鋼材料，將其打磨成扁圓柱型，將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)抗汽蝕材料涂到其中3個(gè)樣品上，剩余一個(gè)鋼材料作為基材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。圖2為涂有抗汽蝕材料的試驗(yàn)樣品。將涂好抗汽蝕材料的樣品自然冷固15 h。

圖2 涂有抗汽蝕材料的試驗(yàn)樣品Fig.2 The experiment samples coated with anti-cavitation material

4.2 試驗(yàn)過程

抗汽蝕材料汽蝕性能試驗(yàn)采用南京先歐儀器制造公司生產(chǎn)的SLQS-2500型汽蝕試驗(yàn)機(jī)，通過大功率超聲波作用于樣品，模擬樣品與液體接觸面的汽蝕現(xiàn)象，進(jìn)而可對(duì)材料的抗汽蝕性進(jìn)行分析，從而研究給定材料固有的抗汽蝕性能和汽蝕過程，或在不同試驗(yàn)條件下研究測(cè)試變量對(duì)材料產(chǎn)生損傷的影響。

SLQS-2500型智能溫控超聲波汽蝕試驗(yàn)機(jī)工作原理：通過大功率超聲波在液體中產(chǎn)生的空化作用，高速度模擬材料的汽蝕狀況。在規(guī)定的頻率和溫度下，超聲波的振幅越大，材料汽蝕的速度也就越快。

本次試驗(yàn)中超聲波發(fā)生器的最大功率為1 200 W，頻率20 kHz，試驗(yàn)水溫設(shè)定為23 ℃。圖3為汽蝕試驗(yàn)系統(tǒng)。水溫恒定后，將樣品放在白色的模具中，然后將模具放入燒杯中，最后整體放入恒溫水槽里，同時(shí)振幅棒對(duì)準(zhǔn)樣品。

圖3 汽蝕試驗(yàn)裝置Fig.3 The experiment device for cavitation

第1次試驗(yàn)，每一個(gè)樣品進(jìn)行了10 min試驗(yàn)，然后烘干稱重，看其質(zhì)量與原來相比是否變化。超聲波發(fā)生設(shè)定為：連續(xù)工作2 s，間隔0.5 s。在其他條件不變的情況下改變振幅棒到樣品之間的距離，再試驗(yàn)和測(cè)量。每個(gè)樣品共進(jìn)行3次試驗(yàn)。表6為10 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表6 10 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 The experimental data of 10 minutes

通過10 min汽蝕試驗(yàn)可以看出3種試驗(yàn)樣品材料表面都存在針孔狀的小汽蝕破壞，但由于受試驗(yàn)條件限制，細(xì)微的質(zhì)量變化無法用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電子天平測(cè)出。

由于汽蝕效果不明顯，進(jìn)行1 h的第2次汽蝕試驗(yàn)，并將試驗(yàn)超聲波連續(xù)發(fā)生工作時(shí)間設(shè)置為5 s，間隔仍然為0.5 s。表7為1 h試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表7 1 h試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.7 The experimental data of 1 hour

通過1 h汽蝕試驗(yàn)，由于樣品損失質(zhì)量變化微小，還是無法用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電子天平測(cè)出。通過肉眼可以看出，試驗(yàn)樣品材料表面有明顯的汽蝕空洞，但空洞不大，而且較淺。1號(hào)和2號(hào)樣品較3號(hào)樣品汽蝕空洞多，深度較深。如圖4為1 h汽蝕試驗(yàn)樣品。

圖4 1 h汽蝕試驗(yàn)樣品Fig.4 The cavitation experimental samples of 1 hour

由于汽蝕效果仍不明顯，進(jìn)行5 h的第3次汽蝕試驗(yàn)，此次試驗(yàn)仍采用與第2次1 h試驗(yàn)一樣的試驗(yàn)條件。表8為5 h實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表8 5 h試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.8 The experimental data of 5 hours

通過5 h汽蝕試驗(yàn)，由于樣品損失質(zhì)量變化微小，還是無法用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電子天平測(cè)出。通過肉眼可以看出，1號(hào)樣品和2號(hào)樣品表面汽蝕呈蜂窩狀，而且汽蝕有一定深度。但3號(hào)樣品表面汽蝕仍然呈點(diǎn)狀，而且數(shù)量不多，深度較淺。由此可見，3號(hào)樣品的抗汽蝕性能最好。圖5為5 h汽蝕試驗(yàn)樣品。

圖5 5 h汽蝕試驗(yàn)樣品Fig.5 The cavitation experimental samples of 5 hours

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)對(duì)3種改性的抗汽蝕材料分別在10 min、1 h和5 h條件下進(jìn)行了汽蝕試驗(yàn)。從汽蝕試驗(yàn)結(jié)果看，3種抗汽蝕材料樣品在進(jìn)行5 h的第3次汽蝕試驗(yàn)后，表面都有明顯的汽蝕損壞，但汽蝕程度不同。從此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，3號(hào)抗汽蝕材料對(duì)基材保護(hù)效果最好，1號(hào)抗汽蝕材料次之，2號(hào)抗汽蝕材料最差。雖然因?qū)嶒?yàn)前后樣品的質(zhì)量變化微小，無法用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電子天平測(cè)出，但也初步反映了這些涂料的抗汽蝕性能。

5 修補(bǔ)改性材料應(yīng)用

對(duì)劉老澗泵站1號(hào)機(jī)組水泵葉輪外殼汽蝕部位用3號(hào)抗汽蝕材料進(jìn)行修補(bǔ)。1號(hào)機(jī)組經(jīng)過18個(gè)月運(yùn)行，共運(yùn)行7 200 h(抽水工況下運(yùn)行4 320 h，發(fā)電工況下運(yùn)行2 880 h)， 3號(hào)抗汽蝕材料對(duì)葉輪外殼起到了很好的保護(hù),抗汽蝕材料絕大部分完好，沒有出現(xiàn)脫落和銹蝕現(xiàn)象，見圖6。

圖6 1號(hào)水泵葉輪外殼應(yīng)用情況Fig.6 Application of impeller shell for no.1 water pump

6 結(jié) 論

通過對(duì)TS216耐磨修補(bǔ)劑改進(jìn)工藝配方，研制了一種針對(duì)性更強(qiáng)的大中型水泵汽蝕修補(bǔ)新材料，可以有效提高耐磨涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，并且保持材表面良好的耐磨性與抗汽蝕性能，相對(duì)傳統(tǒng)的汽蝕修補(bǔ)技術(shù)和進(jìn)口的修補(bǔ)材料，可以有效地解決水泵汽蝕破壞的難題，延長設(shè)備使用壽命，提高水泵的工作效率，降低設(shè)備更換成本，滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求。同時(shí)與傳統(tǒng)的汽蝕修補(bǔ)技術(shù)相比，修補(bǔ)新材料具有施工工藝簡單、便捷，涂層強(qiáng)度高、效果好，施工操作簡便以及投資少等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用推廣前景。

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